在BMS應ying用yong中zhong，設she計ji師shi需xu要yao開kai發fa一yi種zhong解jie決jue方fang案an，將jiang來lai自zi各ge種zhong集ji成cheng電dian路lu的de高gao速su數shu字zi信xin號hao跨kua過guo隔ge離li柵zha進jin行xing傳chuan輸shu。對dui於yu本ben設she計ji示shi例li，這zhe種zhong高gao速su數shu字zi信xin號hao即ji是shi串chuan行xing外wai設she接jie口kou(SPI)連接，用於BMS控製器與電池監測電子元件之間的通信。隔離柵必須保護工作於典型的12 V汽車電壓域的BMS控製器電子元件

，使其免受以高壓(最高達500 V)電池域為基準的電子元件的影響，同時還須具有卓越的耐受力，能承受車輛電力傳動係統產生的高壓電池瞬變。隔離柵和隔離器件非常重要
，因為它們不但保護著車輛的電子元件，同時還保護著車輛乘客
，使其免受高壓電池產生的電擊風險的影響。

 

對(dui)於(yu)隔(ge)離(li)柵(zha)要(yao)求(qiu)
，設(she)計(ji)師(shi)可(ke)以(yi)參(can)閱(yue)各(ge)種(zhong)行(xing)業(ye)標(biao)準(zhun)
，以(yi)確(que)定(ding)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)的(de)適(shi)用(yong)指(zhi)南(nan)。對(dui)於(yu)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)件(jian)的(de)選(xuan)擇(ze)

，設(she)計(ji)師(shi)則(ze)會(hui)遇(yu)到(dao)諸(zhu)多(duo)難(nan)題(ti)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)幾(ji)個(ge)關(guan)鍵(jian)性(xing)能(neng)參(can)數(shu)，比(bi)如(ru)：器件功耗

、PCB空間限製、數據速率/數據一致性(通道間匹配)
、以及適當的隔離和工作電壓(在汽車整個生命周期)。本文將探討器件功耗和PCB板空間限製問題。

 

在zai上shang述shu兩liang個ge難nan題ti的de基ji礎chu上shang，可ke以yi探tan討tao如ru何he確que定ding正zheng確que的de元yuan件jian解jie決jue方fang案an。對dui於yu數shu字zi隔ge離li，目mu前qian市shi場chang上shang有you多duo種zhong技ji術shu可ke用yong，而er在zai選xuan擇ze元yuan件jian時shi可ke以yi考kao慮lv兩liang種zhong技ji術shu：基於光耦合器的隔離和基於數字技術的隔離。光耦合器通過LED產生光的方式進行工作，光通過一個透明隔離柵傳導至一個光檢測器，而數字隔離器則是采用高速CMOS工藝設計
，集成空芯微變壓器。

 

需要考慮的第一個設計難題是器件的功耗，結果將為設計師帶來兩個挑戰。靜態吸電流是xEVdianzishejiguanzhudezhongdianzhiyi
，yinweicheliangzaiguanduanzhuangtaixiadegonghaohuidaozhigaoyadianchizuzuihouyiciyizhichongdianzhuangtaichuxianpiancha。lingwai
，jiangdiandongqichezhongquanbudianzimokuaidegonghaoxiangjiashi
，dianzidianludegongzuogonghaoyeshiyigelingrentoutengdewenti。liangzhongqingkuangxia，mubiaoshijianggonghaojiangzhizuidi。weilejiejuejingtaigonghaowenti
，womenkeyishejiBMS
，禁用非必要電路的源電壓供應，結果可以消除設計師的這一顧慮。

 

然而
，對於隔離器件所需工作電流，數字隔離器與光耦合器之間存在較大的差量。假設為電池監測應用使用一個1 MHz的SPI接口，則對於SPI通信總線所需要的四個數字隔離通道而言
，像 ADI ADuM1401一樣的數字隔離器將消耗2.4 mA的低壓域工作電流和1.4 mA的高壓域工作電流。該值適用於以下工作條件：典型汽車5 V的工作電壓範圍以及汽車擴展−40°C至+125°C的工作溫度範圍。與之相當的基於光耦合器的解決方案，每個隔離通道至少需要4 mA的電流，而設計師還須考慮5 V電壓範圍和工作溫度的變化。考慮這些變化會使每個隔離通道的吸電流提升至10 mA，結果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達到30 mA，高壓域工作電流則達10 mA。相對於傳統光耦合器解決方案，ADuM1401一類的數字隔離器在工作功耗方麵具有顯著優勢。

 

圖1. 一種電池管理係統的典型配置

 

需要解決的第二個難題是BMS電子設計工程師麵臨的機械設計限製。在BMS開發中，PCB麵積是一種珍貴的資產
，設計師必須構建出能適用於超緊湊區域的解決方案。高壓至低壓接口的間距要求(一般稱為爬電距離和間隙)由(you)各(ge)種(zhong)電(dian)氣(qi)標(biao)準(zhun)定(ding)義(yi)，元(yuan)件(jian)必(bi)須(xu)符(fu)合(he)這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)針(zhen)對(dui)給(gei)定(ding)應(ying)用(yong)規(gui)定(ding)的(de)最(zui)低(di)要(yao)求(qiu)。對(dui)數(shu)字(zi)和(he)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)兩(liang)種(zhong)隔(ge)離(li)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)進(jin)行(xing)了(le)比(bi)較(jiao)
，以(yi)確(que)定(ding)哪(na)種(zhong)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)為(wei)PCB板節省大量空間。

 

對於數字隔離解決方案，我們將考察ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝，其標準JEDEC封裝尺寸為10.3 mm x 10.3 mm，元件總麵積為106 mm²。與之相當的光耦合器解決方案要求四個5引腳SOIC封裝器件，其標準JEDEC封裝尺寸為7.0 mm x 3.6 mm，單元件麵積為25.2 mm²。需要在PCB板上放置四個元件

，而器件之間一般需要1.2 mm的間距。將光耦合器解決方案所需PCB板總麵積相加，設計師必須留出134.5 mm²的空間。顯然，使用數字隔離器解決方案，設計師已經可以節省大約28 mm²的麵積。

 

在限定隔離器件麵積之後，設計師接下來要考慮整個解決方案所需要的支持元件。數字隔離器(如ADuM1401)需要使用兩個外部旁路電容。假設采用0603封裝電容

，則占用麵積為2.5 mm²。對於典型的光耦合器解決方案，設計師必須增加四個電阻(5.1 mm²)、四個電容(5.1 mm²)和四個前驅電路(33 mm²)，因為多數微控製器無法處理其GPIO引腳的10 mA功耗要求。至此，設計師可以看到，在需要考慮PCB板麵積時，數字隔離器具有明顯優勢。

 

與PCB空間相關的另一設計考慮是隔離器件的高壓端的驅動問題。對於BMS應用
，需要在電池監測器件上實現功耗的均衡化，以防止電池組出現內在的不平衡。

 

對於光耦合器解決方案
，需要一個單獨的DC-DC轉換器
，用於提供隔離工作電壓以驅動高壓端接口，結果將進一步增加PCB板的麵積要求。在數字隔離器件中，設計師可以選擇ADuM5401數字隔離器，其中含有四個SPI接口隔離通道，同時還集成了用於驅動高壓端接口的DC-DC轉換器功能。其封裝尺寸與ADuM1401數字隔離器相同
，因此，不會增加PCB板的麵積要求。

 

與傳統的光耦合器模式相比
，數字隔離器解決方案為設計師提供了一種節省空間的隔離器件實現方案

，如圖2所示。

 

圖2. PCB板空間比較

 

總之，xEV電dian子zi元yuan件jian設she計ji工gong程cheng師shi麵mian對dui的de數shu字zi隔ge離li難nan題ti可ke以yi借jie助zhu數shu種zhong不bu同tong的de隔ge離li拓tuo撲pu結jie構gou而er予yu以yi解jie決jue。通tong過guo運yun用yong數shu字zi隔ge離li器qi，設she計ji師shi可ke以yi為wei其qi應ying用yong實shi現xian功gong耗hao和hePCB板麵積的雙節省。